Bitkilerin doğada pek çok yararı vardır, besin, yakıt oksijen ve çevre için büyük önem taşırlar. Massachussets Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) bilim insanları nanomateryalleri kullanarak bitkilerin enerji üretimini arttırmanın yeni yollarını arıyorlar. Böylece bitkilere yeni özellikler kazandıracaklar. Çevre kirliliği izleme gibi fonksiyonlar da gözlenecek.
Nature Materials dergisinde yeni yayınlanan bir araştırmada bitkilerin ışık enerjisi elde etme kabiliyetlerinin kloroplastlara tutturulan nanotüpler sayesinde % 30 kadar arttırıldığı belirtildi. Kloroplastlar bitkilerde fotosentez yapmaya yarayan bir hücre organeli. Bilim insanları farklı bir çeşit karbon nanotüp modifiyesiyle nitrik oksit gazını tespit etmeyi başardı.
Böylece bilimsel açıdan ilk nanobiyonik bitkiler çağı başlamış oldu.
“Bitkilere teknolojiye adapte olmak açısında oldukça aktifler. Kendi kendilerini onarabiliyorlar, dış çevrede stabil kalabiliyorlar ve zorlayıcı ortamlarda hayatta kalabiliyorlar. Bu sayede kendi enerjilerini ve su dağılımlarını sağlıyolar,” diyor MIT Kimya Mühendisliği’nden Prof. Michael Strano.
Strano ve araştırmanın baş yazarı doktora sonrası öğrenci bitki biyoloğu Juan Pablo Giraldo, bitkileri kendi kendilerine güç sağlayabilecek fotonik aletler örneğin, patlayıcılar ve kimyasal silahlar için dedektör gibi kullanabileceğini belirtiyor. Strano, bitkilerin sınırsız potansiyeli olduğunu belirtiyor.
Turbo Fotosentez
Nanobiyonik bitkileri yetiştirmede ana fikir güneş pillerine(solar cell) benzer kendi kendini onaran bitki hücreleri üretmektir. Bir sonraki adımda araştırmacılar bitkilerden izole edilen kloroplastların fotosentez özelliğini geliştirerek güneş pillerinde kullanımını amaçladılar.
Kloroplastlar fotosentez için gerekli tüm mekanik donanıma ev sahipliği ediyorlar ve bu iki adımda oluşuyor. İlk aşamada klorofil vb. pigmentler ışığı absorbluyor, bu da elektronları uyarararak kloroplastlardaki tilakoid membranlarına doğru bir akış sağlıyor. Sonrasında bitki elektrik enerjisini yakalayarak fotosentesizin iki aşamasına yani şeker yapımına güç veriyor.
Normalde kloroplastlar bitkilerden izole edilebilse de kısa bir süre sonra yıkıma uğruyorlar. İşte kloroplastların bu üretkenliğini korumak için nanoserya (nanoceria) adı verilen seryum oksit nanoparçacıklar ekleniyor. Bu parçacıklar oksijen radikaller karşı çok güçlü antioksidanlar ve böylece oksijenler süpürülerek kloroplastlar ışık ve oksijen hasarından korunuyor.
Araştırmacılar lipid zarf değişim engellenmesi (lipid exchange envelope penetration- LEEP) adı verilen teknikler sayesinde nanoseryalar kloroplastlara yerleştirilebiliyor. Bu parçacıklar aşırı yüklenmiş poliakrilik asit molekülüyle kaplanarak, parçacıkların yağı penetre etmeleri sağlanıyor. Böylece hidrofobik membranlar kloroplastları sarabiliyor. İşte bu kloroplastlarda hasar veren moleküller çarpıcı biçimde düşüyor.
Ayrıca araştırmacılar aynı aktarım tekniğini kullanarak negatif yüklenmiş DNA ile yüklenmiş yarı iletken karbon nanotüpleri kloroplastlara yerleştirdiler. Böylece normalde güneş ışığının sadece % 10 kadarını kullanan bitkiler, karbon nanotüpleri yapay antenler gibi kullanarak spektrumdaki ultraviyole, yeşil ve yakın kızılötesi dalga boylarını yakalayarak güneş enerjisinden daha fazla yararlanıyorlar.
Karbon nanotüpler sanki bir protez fotoabsorblayıcı gibi davranarak tilakoid membranlarına doğru olan elektron akışını % 49 ‘ dan daha fazla arttırdı. Nanoseryalar ve karbon nanotüpler bir araya gelince kloroplastlar birkaç saat daha fazla aktif kalabiliyor.
Araştırmacılar sonrasında canlı bitkilere dönerek vasküler infüzyon adı verilen nano parçacıkları Arabidopsis thaliana adı verilen turpgiller familyasın küçük çiçekli bir bitkiye verdiler. Bu metot kullanılarak yaprağın altına uygulanan nano parçacık solüsyonu, stomata adı verilen küçük gözenekleri engelledi Normalde bu gözenekler içe karbondioksit akışına izin vererek, oksijenin dışa akışına imkan vermiyor. Bu bitkilerde kloroplastlara yerleştirilen nanotüpler fotosentetik elektron akışını % 30 civarında arttırdı.
Fakat halen bu ekstra elektron akışının bitkilerin şeker üretimi üzerindeki etkileri keşfedilmeyi bekliyor. “Nanoparçacıkların glukoz benzeri yakıtlardaki üretime etkisi ne olabilir? ,” diyor Giraldo.
Yeşil Makineler
Araştırmacılar ayrıca, Arabidopsis thaliana bitkilerine karbon nanotüpler yerleştirerek nitrik oksit gibi çevre kirletici gazlara karşı kimyasal sensörlere çevirdi. Strano’nun laboratuvarında geliştirilen karbon nanotüpler sensörleri hidrojen peroksit, TNT ve sinir gazı sarin gibi pek çok gazı algılayabiliyor. Hedef molekül nanotübe tutunduğunda , nanotüp floresansı değişiyor. Bu sayede bir gün tespit edilmesi oldukça zor serbest radikaller, tek parçacık seviyesinde tespit edilebilecek.
Kaynak: http://web.mit.edu/newsoffice/2014/bionic-plants.html
Araştırma Referansı :
- Juan Pablo Giraldo, Markita P. Landry, Sean M. Faltermeier, Thomas P. McNicholas, Nicole M. Iverson, Ardemis A. Boghossian, Nigel F. Reuel, Andrew J. Hilmer, Fatih Sen, Jacqueline A. Brew, Michael S. Strano. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials, 2014; DOI: 10.1038/nmat3890
